引言

大地震发生时,抢救生命为第一要务,但高烈度区常造成供电、交通、通信等生命线工程中断,使灾情数据获取、灾情信息提取及灾情上报与发布等工作出现困难,严重阻碍应急救援工作。多次大地震应急实践表明,视频会议具有快速联动的特点。在最短的时间内实现视频、语音和数据共享,保证地震应急信息快速传递、高效处理,是支持防震减灾工作的有效手段。

云南省是我国地震灾害损失最严重的地区之一,地震频度高,震级大,分布广,灾害重,且地貌复杂,山高谷深,沟壑纵横,河流纵横,防震减灾工作面临严峻挑战。在中国地震局和云南省人民政府防震减灾“十五”“十一五”“十二五”等应急重大科学工程支持下,云南省建成1套纵向覆盖中国地震局、云南省地震应急指挥大厅、云南省地震现场指挥部、16个州市级地震部门、129个县级地震部门,横向覆盖30余省政府抗震救灾指挥部成员单位、省应急厅和省消防总队及其下属支队的多网段互联地震应急视频会议系统。但随着云南省震情形势日益严峻,新形势下抗震救灾要求越来越高,云南地震应急视频会议系统节点逐渐增加,承担的工作越来越多、越来越杂,逐渐出现了建设成本高、设备兼容性差、带宽速率不足等问题。因此在新形势下,建设全时程高质量支持跨网段、多信号的应急视频会议系统成为关键问题。

1 现状分析
1.1 地震部门视频会议系统现状分析

自2000年“十五”数字地震观测网络项目建设以来,中国地震局架设了地震行业专网,建成了2套地震应急视频会议系统,其中1套基于H.323标准,覆盖全国各省级地震局指挥中心(刘在涛,2010),另1套基于VAST卫星通信网,覆盖国家、省级地震局指挥中心和现场移动通信车。在中国地震局指导和省人民政府的支持下,多个省开始对地震应急视频会议系统进行升级改造,如黑龙江省建设了以省局为中心、以10个直属地震台站为分会场的视频会议系统(高东辉等,2014),辽宁省建设了下达14个县级应急指挥大厅的视频会议系统(于浩等,2016),四川省建设了以应急指挥大厅为中心,联通中国地震局、四川省委省政府、地震应急现场、外省地震局及省级相关部门、部分市(州)、县(区)视频会议系统(张翼等,2012)。随着通信技术的发展,基于3G、4G信号和互联网的地震现场视频会议系统逐渐得到应用,如张方浩等(2019)提出基于互联网多信道轻度集成的现场视频会议系统架构,徐年等(2015)张洁等(2014)探讨了3G技术在地震视频会议中的应用。通信网的扩展导致地震应急视频会议节点增多,地震工作者对组网模式进行了探讨。张维佳等(2013)提出地震应急视频会议组网有行业网和卫星网,组网结构分为点点结构、网状结构和树状结构;郑树平等(2016)提出组网模式有单网、双网、多网和外网;林向洋等(2019)分析多层级跨网视频会议系统架构特点,着重分析跨网段“背靠背”转发优化,提出多层级树状组网结构。地震应急视频会议逐渐在地震应急、联调测试、会商讨论、远程培训等方面发挥巨大作用(郑树平,2013孙艺等,2014贾军鹏等,2016郁璟贻等,2018)。

值得注意的是,视频会议已在地震系统中经历十多年的发展,单纯基于硬件的视频会议日趋饱和,逐渐出现视频会议效果不佳的问题,如设备兼容性和稳定性不足(林向洋等,2017)、带宽速率不足(许瑞杰等,2018张方浩等,2019)等。因此,为支持跨网段、多信号的应急视频会议,部分省级地震部门开始探索云视频在地震系统中的应用,如李敏等(2017)通过搭建云视频原型,发现采用云技术的视频会议系统在连通性、扩展性和资源优化性方面具有巨大优势;杨玉永等(2017)依托移动智能终端,通过测试证明云视频具有扩展性强、多源信息融合、移动灵活的特点。

1.2 地震部门视频会议关键技术参数现状分析

目前地震部门采用的高清视频会议系统关键技术参数包括以下3个方面:①网络通信协议。国际上网络通信协议主要标准有H.323和SIP,但由于H.323属于ITU标准,更易与传统电话网兼容,且推出较早,协议发展较成熟,解决了点对点及多点视频会议中如呼叫与会话控制、多媒体与带宽管理等问题,是目前主流的通信协议。②音视频编码技术。目前最新的视频编码标准为H.265,在传输码率和占用内存方面优于H.264,但由于高昂的专利费用和硬件性能高需求,H.264仍是主流视频编码标准(表 1)。在宽带音频协议方面,G.719音频由于带宽更宽、传输码率较低、运算相对简单、时延低,是主流的音频协议(毛婷,2015)。③图像标准。图像标准即图像分辨率,常见标准有CIF、4CIF、720P、1080P等,在H.323协议簇中规定了各种标准的分辨率。随着视频会议的发展,视频会议图像标准越来越趋于720P和1080P。

表 1 主流视频编码标准优缺点对比表 Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of mainstream video coding standards
2 组网模式研究
2.1 部署情况

在2005年中国地震局“数字地震观测网络项目”、2009年“云南地震安全工程”和2015年“云南省全面加强预防和处置地震灾害能力建设10项重点工程”的支撑下,建成了1套分布式多网段互联的地震应急视频会议系统,该系统由省局指挥中心、现场工作队和州市县级指挥中心组成(图 1),其中省局指挥中心部署5套视频会议终端、3套MCU,现场工作队部署4套视频会议终端,州市县级指挥中心共部署145套视频会议终端,州市级指挥中心部署16套MCU设备。该系统现有173套视频会议设备,穿透5个通信网(表 2)。通过地震行业网实现国家中心-省级中心-州市中心-县区中心的4级视频联动,其中各州市配置1套MCU设备,可自行完成州市组会。通过卫星网实现省局指挥中心和现场工作队的互联互通,同时使用互联网作为前后方互通的手段,通过电子政务网实现与30余家省级抗震救灾指挥部成员单位的互联互通,通过消防系统专网实现与云南省应急厅和云南省消防总队及下属支队的互联互通。


图 1 云南地震应急视频会议系统组成 Fig. 1 Yunnan earthquake emergency video conference system
表 2 云南省地震应急视频会议系统终端 Table 2 Yunnan earthquake emergency video conference system terminal
2.2 日常模式

日常模式用于日常点名、政务会议、学术讲座、视频会商等。视频会议有点对点组网和多点组网2种连接方式,使用网络包括行业网、电子政务网和消防系统专网。每周通过电子政务网和消防系统专网与省政府总值班室和省应急厅联调点名,有时服务于应急管理部或中国地震局组织的各类应急讲座和重大政务会议,台站、州市地震部门甚至县级地震部门通过MCU级联的方式参与讲座。日常模式下的视频会议以行业网多点连接为主(图 2),该模式下虽然点多,但通信信道多为地震行业网,因此音视频通信质量高,传输稳定。


图 2 日常模式拓扑图 Fig. 2 Topology diagram of daily mode
2.3 演练模式

演练模式主要分为月演练、季度演练和年度演练,其中月演练通过卫星网联通云南省地震局灾害应急指挥中心与现场工作队;季度演练通过MCU将2个不同网段的各终端联通,包括处在行业网内的西南片区各后方指挥大厅和卫星网内的各现场工作队;年度演练由中国地震局组织,连接下属各省局地震局和成员单位,定期与省应急和消防总队进行演练测试。演练模式包括以下特点:①跨网段互联,实现卫星网与行业网的互联;②多点连接,进行季度演练时,至少连接3家单位;③演练模式通信质量不稳定,延迟波动大(图 3)。因后方指挥部与现场工作队通过卫星网进行联通,易受天气和环境影响,尤其是在阴雨天和遮挡物较多的地区,常出现声音和视频卡顿现象。


图 3 演练模式拓扑图 Fig. 3 Topology diagram of drill mode
2.4 应急模式

地震应急期间连接的单位主要有应急管理部、中国地震局、州市地震局、县地震局、现场指挥车、省政府应急办等,连接的网段有行业网、卫星网、互联网和电子政务网,因此,应急模式为多点跨网段连接。破坏性地震发生时,由中国地震局统一组会,连接国家应急管理部、云南省后方指挥部、云南省现场工作队、州市地震部门和县级地震部门。同时,云南省后方指挥部作为单个节点,分别通过电子政务网和消防系统专网加入省抗震救灾指挥部视频会议和应急厅视频会议系统,图 4为应急模式拓扑图。


图 4 应急模式拓扑图 Fig. 4 Topology diagram in emergency model

应急模式关键点如下:

(1)音视频矩阵转发信号。基于卫星网和互联网的视频会议采用网络穿透的方式接入行业网,实现与基于行业网视频会议的互联互通。出于网络安全考虑,根据“背靠背”原理,基于电子政务网和消防系统专网的视频会议将音视频信号并入音视频矩阵,将所有网段视频会议信号并入音视频矩阵,通过音视频矩阵相互转发的方式实现不同网段视频会议系统的互通。

(2)MCU组会模式的选择。MCU需在CP模式和COP模式中选择,CP模式和COP模式均可将多个终端图像进行整合,形成多画面图像,再将多画面图像发送给不同终端,但COP模式存在终端分类,而CP模式不分类。在相同的硬件资源下,CP模式更灵活,对终端呼叫速率、协议和分辨率没有要求,且每个终端专门分配1组独立的处理资源,适合终端类型丰富、融合不同网络通信的多点视频会议,因此是地震应急的首选模式。

(3)呼叫速率的统筹。目前云南地震应急视频会议各网段带宽在理论上能支持高清甚至超清视频会议,但在应急期,接入互联网的设备多,现场应急、监测、灾情等各种数据信息均在行业网上传输,导致互联网和行业网资源不足以保障视频会议效果。尤其是现场通信受天气、地理环境、卫星信号覆盖强弱度、道路通行能力等因素的制约较大,8MB的带宽难以保障视频会议效果,需统筹利用地面网络。电子政务网和消防系统专网接入设备少,且视频联通为单点模式,视频效果良好。针对上述问题,后方指挥部需对行业网和互联网资源进行分配,保障行业网和互联网至少有35MB带宽用于视频会议系统;现场工作队所在地政府协调电信部门提供互联网专线,通过VPN设备穿透接入行业网,保障现场视频会议联通及行业内信息传输,在网络资源紧张的情况下,通过带宽分配管理设备进行网络资源的动态管理,而电子政务网和消防系统专网资源充足,无须进行分配,各网段呼叫速率见表 3

表 3 各网段呼叫速率 Table 3 Call rate of each network segment

通过上述方式实现各级单位视频会议的互联互通,同时配合视频矩阵和数字调音台,将数字电视信号、工位计算机信号、苹果盒子信号、华为盒子信号等其他外接设备信号接入音视频矩阵,最终实现云南地震应急视频会议系统跨网段、多信号的互联互通。

3 应用分析

2018年以来,云南省相继发生了3次5.0级以上破坏性地震,前后方视频会议系统在指挥决策、灾情获取、信息上报等方面发挥了重要作用。2018年8月13日、14日云南通海发生2次5.0级地震后,中国地震局应急指挥中心通过MCU使用CP模式将台网中心、台网中心办公室、云南省后方指挥部、地震现场工作队、玉溪市防震减灾局和通海县防震减灾局联通(图 5图 6(a))。2018年9月8日墨江5.9级地震发生后,中国地震局应急指挥中心通过MCU使用CP模式将台网中心、云南省后方指挥部和地震现场工作队联通,并通过音视频矩阵转发应急管理部信号,同时后方指挥部联通云南省总值班室,通过音视频矩阵转发的方式并入视频会议(图 6(b)图 7)。


图 5 通海地震连接节点示意图 Fig. 5 Schematic diagram of Tonghai earthquake connection nodes

图 6 视频会议连接情况 Fig. 6 Video conference connection

图 7 墨江地震连接节点示意图 Fig. 7 Schematic diagram of the Mojiang earthquake connection nodes

在通海地震应急保障中,云南省后方指挥部、玉溪市防震减灾局和通海县防震减灾局采用2MB/s呼叫速率,现场工作队采用2套设备,其中1套用卫星网穿透行业网,另1套用互联网以1MB/s的呼叫速率并入中国地震局组建的视频网络,快速形成国-省-市-县4级联通。应急期间发现基于行业网的节点视频会议效果良好,但现场2套视频设备视频效果较差,甚至出现马赛克现象。这是因为采用VPN穿透行业网时,中间节点多,延迟高,且互联网资源被占用。在墨江地震应急保障中,后方指挥部使用中兴终端通过电子政务网采用2MB/s的呼叫速率联通省抗震救灾指挥部,使用宝利通终端通过行业网采用2MB/s的呼叫速率联通中国地震局,同时采用音视频矩阵实现电子政务网和行业网视频会议的互联互通。现场工作队总结通海地震应急保障经验,按照应急模式,采用2条100MB宽带,1条用于业务工作,1条用于视频会议,实现专网专用,视频会议专线至少有35MB的带宽。整个应急期间,前后方视频会议效果良好。

4 结论

本文分析了地震部门应急视频会议系统的发展现状,以云南省地震应急视频会议系统为例,分析日常、演练和应急3种视频会议组网模式及3个应急模式关键点。通过2018年8月13日、14日2次通海5.0级地震和2018年9月8日墨江5.9级地震对应急视频会议系统进行了检验,表明该系统符合云南省实际情况。

云南地震应急视频会议系统应急模式取得了较好的实际应用效果,但该系统基于硬件设备,具有一定局限性。随着5G技术的普及,将为视频会议提供高可靠、低延时、高质量的网络保障,且高扩展性和高兼容性的移动智能终端简化了视频会议终端设备,高便捷性、高可靠性和高融合性的云视频是今后视频会议发展的趋势,将云视频引入地震系统是今后研究的重点。

参考文献
高东辉, 姜博, 李大伟, 等, 2014. 黑龙江省地震台站软件视频会议系统建设与应用[J]. 防灾减灾学报, 30(4): 82-86.
贾军鹏, 李振波, 吕国军, 等, 2016. 河北省地震应急高清视频会议系统的建设与应用[J]. 中国应急救援, (4): 60-64.
李敏, 吴艳梅, 李永强, 2017. 云视频技术在省级地震应急指挥系统中的应用探讨[J]. 地震研究, 40(4): 655-660. DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2017.04.018
林向洋, 高小跃, 吴天安, 等, 2019. 应急管理部多层级视频会议系统跨网段转发技术[J]. 地震地磁观测与研究, 40(4): 138-145. DOI:10.3969/j.issn.1003-3246.2019.04.021
刘在涛, 吴天安, 郑通彦, 等, 2010. 全国地震应急视频会议系统建设及应用[J]. 地震地磁观测与研究, 31(04): 119-125. DOI:10.3969/j.issn.1003-3246.2010.04.021
毛婷, 2015. G.719音频编码器的改进[J]. 北京:北京理工大学.
孙艺, 于浩, 刘琳婷, 等, 2014. 辽宁省地震应急指挥中心互联平台在地震应急救援中的应用[J]. 防灾减灾学报, 30(3): 101-104. DOI:10.3969/j.issn.1674-8565.2014.03.020
徐年, 章熙海, 高飞, 等, 2015. 地震应急指挥车现场应急通信技术系统的设计与实现[J]. 智能计算机与应用, 5(1): 5-8. DOI:10.3969/j.issn.2095-2163.2015.01.002
许瑞杰, 李兆隆, 曹彦波, 2018. 四川九寨沟7.0级地震现场视频会议系统问题及原因探讨[J]. 四川地震, (2): 35-38.
杨玉永, 董翔, 娄世平, 等, 2017. 云视频会议在现场应急指挥中的应用[J]. 电视技术, 41(11-12): 220-224.
于浩, 耿晨, 蒋越, 等, 2016. 视频会议系统在地震应急中的应用[J]. 防灾减灾学报, 32(3): 91-94.
郁璟贻, 张海涛, 罗桂纯, 等, 2018. 地震应急视频会议系统的建设与应用[J]. 中国应急救援, (5): 31-34. DOI:10.3969/j.issn.1673-5579.2018.05.008
张方浩, 李永强, 曹彦波, 等, 2019. 基于云技术的云南地震现场应急指挥技术系统优化[J]. 地震研究, 42(2): 257-264.
张洁, 潘丹, 何琳, 等, 2014. 基于3G信号的地震现场无线视频会议系统[J]. 中国科技信息, (17): 126-127.
张维佳, 姜立新, 李晓杰, 等, 2013. 全国地震应急视频会议系统组会模式[J]. 地震地磁观测与研究, 34(3-4): 188-194.
张翼, 林洋, 唐姝娅, 2012. 四川地震应急指挥大厅技术系统集成及应用[J]. 四川地震, (4): 34-37.
郑树平, 丁小牛, 高翔, 2013. 山西省地震应急视频会议系统建设与应用[J]. 山西地震, (4): 41-43.
郑树平, 丁小牛, 高翔, 2016. 不同组网模式下的地震应急视频会议系统[J]. 信息技术, (6): 173-176.